[发明专利]一种基于被动反射信标的光导航系统

说明书

本发明提出了一种基于被动反射信标的光导航系统。在导航区域附近部署若干数量的被动反射信标形成组网，在导航用户上搭载光导航主机，通过主机的合作观测方法识别被动信标的反射信号频谱信息与角度信息，进一步从角测量信息中解算出光导航主机的位置与姿态。该方法利用被动信标的反射光信号作为观测，信标节能寿命长、体积小；利用反射光信号调制搭载频谱信息，导航速率快、信标隐蔽性强；不依赖其他导航系统的辅助，就可实现位置姿态的同步确定。

技术领域

本发明提出一种基于被动反射信标的光导航系统，它涉及一种新型导航方法的系统组成，属于导航定位定姿技术领域。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是目前最广泛使用的导航手段，经过多年的技术发展迭代，其优势非常明显，可以实现全天候条件下的定位定姿授时。但由于其信号能量较弱，且接收装置较容易被干扰，导致其在复杂无线电环境中的应用效果具有很大的不确定性。另外，由于其信号穿透能力差，经过物体表面多次反射后会造成误差，因此仅适用于室外环境，而地下室、停车场等封闭的室内成为GNSS拒止环境。

目前不依赖全球卫星导航系统的导航方法也有很多，主要包括惯性导航(Inertial Navigation System,INS)、激光导航(Laser Navigation System)、视觉导航(Vision Navigation)等。其中，视觉导航具有精度高、抗干扰性强、成本低等特点。视觉导航的原理本质是通过图像处理技术提取相机拍摄图像中的特征，通过数据库进行匹配或者同步建图，通过位姿算法以实现定位定姿的效果。基于特点法的视觉里程计算法是目前较为成熟的导航方案，主要包括特征点的提取、匹配、恢复两帧图像间的相对位姿，以及根据2D投影信息恢复3D相机位姿等技术。但是对于特征点的提取、匹配需要提前建立庞大的数据集，对硬件设施、算法性能的要求很高，在经常变化或特征点模糊的复杂场景中应用较为困难。针对这些难题，可以采用人工布设信标的方式，人工布设的合作信标为视觉导航提供高质量的特征点，帮助进一步实现有效、准确的位姿解算。

综上，基于人工布设合作信标的视觉导航系统具有巨大的研究与应用价值，本发明提出了一种基于被动反射信标的光导航系统，相比现有技术具有能耗低、寿命长、体积小、可靠性高等优点，很适合在有特殊限制(如能量、体积、隐蔽性等方面)的GNSS拒止环境下实现长期导航。

发明内容

(一)发明目的

本发明提出了一种基于被动反射信标的光导航系统。在导航区域附近部署若干被动反射信标，在导航用户上搭载光导航主机，通过光导航主机的合作观测方法测量信标的角度信息，进一步从角测量信息中解算出光导航主机的位置与姿态。目的在于提出一种新型导航方案的系统组成和理论基础，实现无GNSS的全天时位姿确定，丰富现有的导航手段。

(二)技术方案

本发明提出了一种基于被动反射信标的光导航系统，具体的技术方案为：光导航系统组成：光导航主机：成像单元、光束发射器、图像处理单元、惯性测量单元、位姿解算单元；被动反射信标：角反射器、光敏传感器、电控光阀、微控制器。

首先在导航需求空间内布置若干被动信标，在没有主机的情况下，信标处于极低功耗的待机状态。当携带定位主机的用户进入该空间范围内时，主机人造光源载体中的光束发射器通过光源摆动振镜向不同方向发射光束，通过扫描的方式照射目标区域内的被动信标。被动信标上的光敏传感器感受到光强超过一定阈值将自身的微控制器唤醒，并根据提前设置好的编码控制电控光阀的透光率。主机上的成像单元同时进行连续拍照。借助角反射器能将入射光以较低的损失原路反射回光源的特性，通过控制光阀的透光率即能控制反射光的亮度，从而使得被动信标在主机相机中的成像随时间也呈现一定规律的明暗变化。

主机通过处理同一被动信标连续帧的明暗变化，进一步识别信标的编号。同时，主机记录每个信标成像的光点质心位置，根据单目相机的投影成像模型得到其在主机本体坐标系下的角测量信息。最后，主机综合处理每个信标的角测量信息，通过位姿解算单元实现用户位置、姿态的解算。